Содержание к диссертации
Введение
1. Аспекты развития МГД-технологии 11
1.1. МГД-технология; физико-технические основы энергетических процессов и опыт их реализации в энергогенерирующих установках 11
1.2. Технологические аспекты реализации МГД-технологии замкнутого цикла 15
1.3. Физико-технические проблемы МГД-преобразования энергии в замкнутом цикле 28
1.4. Термодинамическая эффективность МГД-ТЭУ 33
2. Технико-экономическая и экологическая эффективность угольных энергоустановок с различными типами МГД-генераторов замкнутого цикла 37
2.1. Предпосылки формирования задачи определения технико-экономических перспектив МГД-технологии замкнутого цикла 37
2.2. Постановка задачи 40
2.3. Методика исследования технико-экономической эффективности МГД-ТЭУ 40
2.4. Газификация угля для угольных тепловых электростанций 44
2.5. МГД-блок для угольных тепловых электростанций 46
2.6. Математическое моделирование МГД-ТЭУ 52
2.7. Результаты оптимизационных расчетов термодинамической эффективности угольных ТЭУ с МГД- блоком 58
2.8. Технико-экономические характеристики МГД-ТЭУ 61
2.9. Расчетные экологические показатели МГД-ТЭУ 67
3. Инженерно-физические проблемы обеспечения конкурентоспособной эффективности преобразования энергии в неравновесном мгд- генераторе и варианты их решения 72
3.1. Инжекция щелочного металла в турбулентный поток газа для создания рабочего тела неравновесного холловского МГД-генератора 72
3.2. Технология формирования рабочего тела для неравновесного МГД-генератора холл овслого типа 74
3.3. Крупномасштабные флуктуации плотности присадки 77
3.4. Обеспечение пространственной однородности распределения присадки для МГД-генераторов полупромышленного и промышленного уровня мощности 90
3.5. Локальные флуктуации присадки в рабочем потоке на входе в МГД-генератор 92
3.6. Влияние локальной неоднородности доли присадки на результаты
оптических измерений 106
Заключение 115
Список литературы 117
Приложение №1 130
Приложение №2 135
- Технологические аспекты реализации МГД-технологии замкнутого цикла
- Термодинамическая эффективность МГД-ТЭУ
- Методика исследования технико-экономической эффективности МГД-ТЭУ
- Технология формирования рабочего тела для неравновесного МГД-генератора холл овслого типа
Введение к работе
В ближайшие десятилетия ожидается увеличение стоимости первичных энергоносителей и ухудшение их качества, обусловленное исчерпанием запасов дешевого углеводородного сырья (нефти и газа). Это потребует широкомасштабного внедрения дорогостоящих технологий получения электрической энергии, ориентированных на возможность эффективно и с хорошими экологическими показателями использовать низкокачественные виды топлива, в том числе бурые угли, разведанные запасы которых могут удовлетворять потребности энергетики как минимум еще.в течение 200-300 лет. [47,81]. Для обеспечения такого внедрения уже в настоящее время требуется выполнение технико-экономических исследований таких технологий.
Теоретические исследования и экспериментальные разработки, выполненные в области производства электрической энергии на основе МГД-технологий, показывают, что введение в схему теплоэнергетической установки блока с МГД-генератором замкнутого цикла потенциально позволяет обеспечить высокий КПД преобразования химической энергии, запасенной в угле, в электрическую [1, 24, 67, 120]. При этом остается открытым вопрос, при каких условиях теплоэнергетические установки с МГД-блоком (МГД-ТЭУ) смогут успешно конкурировать с другими перспективными угольными энергетическими технологиями. В связи с этим актуально проведение технико-экономических исследований угольных комбинированных теплоэнергетических установок с МГД-генераторами замкнутого цикла различных типов и дальнейшая проработка инженерно-физических аспектов МГД-технологии замкнутого цикла.
Следует отметить, что технико-экономические исследования МГД-ТЭУ, проводившиеся ранее, в основном ограничивались определением термодинамической эффективности данного типа установок [44, 64, 70, 120 и др.]. Результаты лишь небольшого числа работ вышли за рамки определения КПД МГД-ТЭУ. В работе Cervenka S. и van der Laken R. A. (1983 г.) [6] выполнена укрупненная оценка удельных капитальных затрат в строительство угольной МГД-паротурбинной электростанции мощностью 500 МВт и представлены результаты расчетов себестоимости производства электроэнергии. Однако стоит отметить упрощенность используемых математических моделей и расчетных методик. В работе Велихова Е.П. с соавторами (1999 г.) [7] представлена детальная проработка компактной газотурбинной МГД-ТЭУ на природном газе, рассчитаны ее термодинамическая эффективность и массогабаритные характеристики оборудования. Однако авторы не ставили перед собой цель определить технико-экономические показатели рассматриваемой схемы.
Практически полное отсутствие технико-экономических исследований
МГД-технологии замкнутого цикла в немалой степени обусловлено значительной неопределенностью исходной информации. В первую очередь это относится к стоимостным характеристикам основных элементов МГД-блока (МГД-канала, сверхпроводящей магнитной системы, системы ввода и регенерации присадки). В этом случае целесообразным является решение не прямой задачи определения технико-экономических характеристик МГД-ТЭУ при заданной стоимости элементов, а обратной задачи определения допустимой стоимости элементов МГД-блока, при которой МГД-ТЭУ будут конкурентоспособными по сравнению с другими перспективными теплоэнергетическими установками. Корректное решение обратной задачи возможно только в том случае, когда при каждом сочетании стоимости элементов МГД-блока и цены топлива будут определяться такие значения параметров установки (расходов, температур, давлений рабочих тел и теплоносителей и др.), при которых достигается максимальная экономическая эффективность цикла и не нарушаются физико-технические ограничения на параметры. Поиск таких параметров сводится к решению весьма сложных задач технико-экономической оптимизации МГД-ТЭУ.
Одним из перспективных и наиболее изученных типов МГД-генераторов замкнутого цикла является генератор Холла [1, 20, 21]. Существенным препятствием на пути достижения конкурентоспособных характеристик МГД-генератора холловского типа является развитие ионизационной неустойчивости, обусловленное наличием флуктуации электрофизических и газодинамических параметров МГД-плазмы. Теоретические и экспериментальные исследования показали [8, 53, 54], что для этого типа МГД-генератора, рабочим телом для которого является инертный газ с присадкой щелочного металла, одной из основных причин развития ионизационной неустойчивости следует считать существование пространственных неоднородностей плотности атомов щелочного металла в рабочем потоке инертного газа, вызванных несовершенством системы ввода присадки.
Для эффективной работы МГД-генератора холловского типа необходимо, чтобы уровень неоднородности состава рабочего тела на входе в канал не превышал 3% [8]. С учетом технологических ограничений па длину канала, передающего нагретый инертный газ от высокотемпературного регенеративного теплообменника (ВРТ) до входа в канал МГД-генератора, обеспечение близкой к 100-процентной однородности состава рабочего тела является достаточно сложной задачей, требующей проведения специальных инженерно-физических исследований. Цель настоящей диссертационной работы состоит в следующем:
Определить оптимальные параметры и технико-экономические показатели угольных теплоэнергетических установок с МГД-генераторами замкнутого цикла различных типов и условия их конкурентоспособности с другими перспективными угольными энергоустановками,
Разработать методику решения задачи оптимизации процесса инжекции щелочного металла в турбулентный поток инертного газа для обеспечения расчетных характеристик эффективности МГД- генераторов замкнутого цикла. Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и защищаются автором следующие результаты:
Математические модели элементов МГД-блока и модели сложных угольных ТЭУ с МГД-генераторами замкнутого цикла различных типов.
Постановка задачи оптимизации параметров сложных угольных МГД-ТЭУ.
Методика решения задачи определения условий конкурентоспособности сложных комбинированных угольных МГД-ТЭУ при неопределенности исходной информации по стоимостным характеристикам основных элементов МГД-блока.
Физико-технические оценки флуктуации концентрации присадки при оптимизации процесса инжекции щелочного металла в рабочий поток инертного газа с целью обеспечения ионизационнр однородного состояния рабочего тела МГД-генераторов замкнутого цикла различных уровней мощности (демонстрационного, полупромышленного и промышленного).
Практическая значимость работы заключается в использовании разработанных методик для определения условий конкурентоспособности ТЭУ с МГД-генератороми замкнутого цикла с другими перспективными ТЭУ как с точки зрения технико-экономических, так и экологических параметров. Результаты этих исследований являются частью работы, направленной на изучение технико-экономической эффективности перспективных типов энергетических установок, проводимых в ИСЭМ СО РАН.
Результаты, полученные при решении задачи оптимизации процесса инжекции щелочного металла в рабочий поток инертного газа, входят в состав комплекса работ по исследованию способов подавления развития ионизационной неустойчивости и достижения конкурентоспособных характеристик неравновесных МГД-генераторов холловского типа, выполняемых в ИСЭМ СО РАН и базирующихся на экспериментальных данных.
Личный вклад автора. Все исследования по теме диссертации выполнены автором лично, под руководством научных руководителей.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены и опубликованы в трудах следующих конференций и симпозиумов:
1. 12-th international conf. on MHD electrical power generation, Yokohama, Japan, 1996 г.;
34-th SEAM, Mississippi State University, USA, 1997 г.; '98 Symposium on efficient use of energy technology and direct electrical power generation, Hokkaido University, Japan, 1998 г.;
International conf. on MHD power generation and high temperature technology, Beijing, China, 2000 г.;
Конференции научной молодежи СЭИ СО РАН, Иркутск - 1997-1999 г.; X научно-технической конференции Иркутского ВВАИУ, 1997 г.;
7. Конференция с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов», Благовещенск , 2003 г.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 12 работах. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, изложена на 129 страницах (без приложений), содержит 4 таблицы и 25 рисунков. Список использованных источников содержит 131 наименование. Приложения изложены на 8 страницах.
В главе 1 данной работы представлен краткий обзор теоретических и экспериментальных результатов, накопленных в области МГД-технологии замкнутого цикла, и определены предпосылки формирования задач, решению которых посвящена данная диссертационная работа.
В главе 2 данной работы представлены результаты оптимизационных исследований термодинамической, технико-экономической и экологической эффективностей угольных теплоэнергетических установок с МГД-генераторами замкнутого цикла различных типов: МГД-генератора фарадеевского типа, работа которого основана на эффекте «замороженной» ионизации, и МГД-генератора холловского типа, работа которого основана на концепции полной ионизации присадки. Оптимизация схем МГД-ТЭУ и параметров выполнялась с использованием нелинейных математических моделей по критерию максимума КПД и критерию минимума цены электроэнергии с учетом физических и технических ограничений на параметры.
Для определения экологической эффективности рассмотренных МГД-ТЭУ, на основе термодинамического анализа процессов газификации угля, сжигания угля и продуктов газификации, рассчитано удельное содержание NOx, S02, С02 в уходящих дымовых газах.
В главе 3 данной работы на основе теории турбулентных струй и турбулентной диффузии моделируется процесс смешения присадки щелочного металла с турбулентным потоком инертного газа для создания однородного рабочего тела МГД-генератора холловского типа. На основе разработанной модели процесса смешения оптимизируются параметры и геометрия устройства ввода присадки для установок различного уровня мощности: демонстрационного, полупромышленного и промышленного. Показано, что оптимизированная система ввода присадки обеспечивает практически стопроцентную однородность состава рабочего тела МГД-генератора, необходимую для подавления ионизационной неустойчивости неравновесной МГД-плазмы.
В заключении обобщены основные результаты, полученные в работе. Показано, что МГД-ПГУ с генераторами как холловского, так и фарадеевского типа являются более конкурентоспособными, чем МГД-ГТУ, по сравнению с другими видами перспективных ТЭУ.
Отмечено, что внедрение МГД-технологии замкнутого цикла является экономически целесообразным только после исчерпания энергетических запасов относительно дешевых видов топлива и повышение цены на уголь, как минимум, в 3 - 3,5 раза по сравнению с ценой, установившейся в настоящее время на топливном рынке.
Показано, что существуют инженерно-целесообразные способы инжекции щелочного металла в турбулентный поток газа, обеспечивающие получение расчетных характеристик МГД-генератора холл овс кого типа различного уровня мощности: демонстрационного, полупромышленного, промышленного.
Технологические аспекты реализации МГД-технологии замкнутого цикла
В 70-е годы работы в области инженерных исследований, связанные с изучением возможностей применения неравновесного МГД-генератора в энергетике, были ориентированы на использование этих генераторов в схеме АЭС с газоохлаждаемым высокотемпературным ядерным реактором. Такое сочетание обещало поднять общий КПД электростанции до 50%, в то время как традиционные схемы с водяными реакторами и паровыми турбинами имели КПД не более 35% [109]. Однако на пути реализации данной идеи возникла проблема: ядерный реактор не может обеспечить нагрев инертного газа, находящегося под низким, до 0,6 МПа, давлением, до температуры необходимой для успешной реализации генераторного процесса (2000 -2200 К) [77, 78]. Эта проблема до настоящего времени не нашла своего решения, что не позволяет рассматривать данную комбинацию как перспективную с точки зрения ее реализации в ближайшем будущем.
Параллельно с разработкой принципиальных схем МГД-АЭС активно изучалось направление, связанное с комбинацией неравновесного МГД-генератра и термоядерного источника энергии [48, 89, 105 и др.]. Исследования показали, что технологические аспекты создания термоядерной электростанции могут быть связаны с введением в высокотемпературную часть цикла неравновесного МГД-генератора. Однако термоядерный синтез в стационарных энергетических устройствах является перспективой далекого будущего.
Комбинация неравновесного МГД-генератора с теплоэнергетической установкой, работающей на органическом топливе, является наиболее изученной не только с теоретической, но и с практической точки зрения.
Возможность включения неравновесного МГД-генератора в состав теплоэнергетической установки, работающей на органическом топливе, определяется наличием устройства, способного передать тепловую энергию продуктов сгорания органического топлива инертному газу. Устройством, позволяющим решить проблему нагрева инертного газа, является высокотемпературный регенеративный теплообменник (ВРТ) с насадкой из высокотемпературной керамики. Высокотемпературный регенеративный теплообменник В работе [3] впервые были рассмотрены технологические аспекты и определены конструктивные характеристики ВРТ для МГД-ТЭУ на органическом топливе. При этом в качестве теплоаккумулирующей насадки предложен вариант использования шариков из окиси алюминия (А1203).
Исследования показали, что комбинация данной конструкции регенеративного теплообменника с неравновесным МГД-генератором является проблематичной с точки зрения выполнения жестких ограничений на концентрацию молекулярных примесей в рабочем теле МГД-блока. Эта проблема была решена за счет применения глубокого вакууммирования рабочего объема теплообменника между циклами нагрева и охлаждения.
Теплообменники тепловой мощностью 5 МВт, работающие на продуктах сгорания природного газа и обеспечивающие выполнение основных требований, предъявляемых к рабочему телу МГД-генератора, были разработаны и созданы фирмой Fluid Engineering Corp. (Миниаполис, США). Первое сообщение об успешном функционировании таких теплообменников в составе двух крупных экспериментальных установок в Эйндховенском технологическом университете (Нидерланды) и Токийском технологическом институте (Япония) появились в 1983 году [11, 12, 66, 68].
ВРТ для газа имеет форму цилиндрической колонны, заполненной керамическими шариками. В верхней части теплообменника находится камера сгорания, в которую для сжигания подается природный газ и окислитель. Коэффициент избытка воздуха выбирается из условия существенного снижения эмиссии NOv Продукты сгорания, проходя через шариковую насадку, охлаждаются и выходят через специальный патрубок, находящийся внизу теплообменника - так протекает процесс нагрева. Вслед за нагревом следует процесс вакууммирования, при этом из теплообменника откачиваются остатки продуктов сгорания. Затем следует процесс продувки инертным газом, в ходе которого проходит очистка объема насадки от оставшихся после вакууммирования продуктов сгорания. Загрязненный инертный газ не участвует в цикле МГД преобразования энергии, а направляется на фильтрацию. Вслед за этим следует процесс охлаждения инертный газ через нижнюю часть теплообменника, противотоком по отношению к продуктам сгорания, поступает в теплообменник и, проходя через насадку, нагревается, а затем направляется в МГД-канал. После этого вновь следует процесс вакууммирования - откачиваются остатки инертного газа. Далее цикл повторяется в той же последовательности.
Эксперименты с регенеративными теплообменниками показали, что загрязнение инертных газов молекулярными примесями находится в допустимых пределах, однако было обнаружено, что созданные модели теплообменников не дают возможности разогрева инертного газа до требуемой для неравновесной ионизации температуры. [11, 12]. Дальнейшие работы по совершенствованию регенеративных теплообменников продолжались в направлении, связанном с увеличением теплоаккумулирующих свойств насадки и повышением температуры инертного газа на выходе из теплообменника.
Ким Ю. с помощью численного моделирования [26] показал, что увеличение выходной температуры инертного газа с 1650 К до 1850 К может быть получено за счет оптимизации геометрических размеров камеры сгорания природного газа и объема, заполненного теплоаккумулирующей насадкой.
Термодинамическая эффективность МГД-ТЭУ
Большая часть электроэнергии и тепла, поставляемых потребителю, вырабатывается в настоящее время теплоэнергетическими установками (ТЭУ) с теми или иными термодинамическими циклами. В настоящее время повышение верхней температуры рабочего тела в цикле ТЭУ идет за счет внедрения и совершенствования газотурбинных установок. Современные жаропрочные материалы и литейные технологии делают возможным изготовление газовых турбин, лопатки которых могут длительно работать при температуре газов на входе в турбину от 1500 - 1700 К [114]. Очевидно, что эта температура как минимум на 300 - 400 К ниже температуры сгорания органического топлива (2000 - 2200 К). Следовательно, область высоких температур остается неиспользованной в современной энергетике. Введение в цикл ТЭУ неравновесного МГД-генератора, рабочий диапазон температур которого от 1900 К до 2200 К, позволят максимально реализовать тепловую энергию, запасенную в органическом топливе обеспечив тем самым привлекательный с экономической точки зрения КПД ТЭУ, а также выбросов загрязняющих веществ.
Одним из наиболее интересных вариантов, позволяющих реализовать весь располагаемый температурный диапазон сгорания органического топлива, является МГД-парогазотурбинная установка, объединяющая в себе все три устройства преобразования энергии: неравновесный МГД-генератор, газовую турбину и паротурбинную установку. Этот вариант целесообразен в случае, если коэффициент преобразования энтальпии в МГД-генераторе будет не менее 30%. В соответствии с данными [117] при использовании в качестве топлива, как природного газа, так и угля КПД такой комбинированной установки значительно выше эффективности традиционных парогазовых установок.
Как считают авторы [117] при коэффициенте преобразования энтальпии в МГД-генераторе не менее 35% возможна реализация МГД-газотурбинного цикла Брайтона. Содержательный анализ термодинамической эффективности циклов с неравновесным МГД-генератором был представлен Yoshikawa К., в работах, опубликованных в период с 1987 по 1993 год [1, 19, 44, 64, 65, 67, 69 70]. Автором были рассмотрены различные варианты технологических схем тройного МГД-парогазотурбинного цикла Ренкина-Брайтона и двойного МГД-газотурбинного цикла. Автор показал, что расчетный КПД таких циклов при использовании угля может находится в пределах 50 - 55,7%, а при использовании газового топлива - 58 - 61%. Упомянутые выше работы представляют цикл системных исследований проводимых Yoshikawa К. и др. для условий Японии.
В СЭИ СО РАН проводились аналогичные работы, связанные с адаптацией некоторых схем, представленных Yoshikawa К., к условиям России. В этих работах были сделаны следующие выводы: тепловые схемы тройного МГД-парогазотурбинного цикла и цикла Брайтона с использованием параметров отечественного оборудования и характеристик топлив Российских месторождений показали значительный прирост термодинамического КПД. По сравнению с паротурбинным циклом этот прирост составил порядка 11 - 14%, по сравнению с парогазовым циклом -8-11% [120]. Эти результаты являются весьма привлекательными с точки зрения увеличения эффективности ТЭУ на органическом топлива. Однако в этих работах сравнительный анализ проводился на основе данных о развитии энергетических технологий, соответствующих началу 90-х годов 20-го века. Последние исследования, проводимые в ИСЭМ СО РАН [27], показали, что даже без высокотемпературного МГД-блока расчетное значение КПД перспективных парогазовых ТЭУ на угле может составить 54%, а на газе 61 %, В этой связи представляется интересным решение задачи определения условий конкурентоспособности МГД-ТЭУ по сравнению с другими энергетическими технологиями. Решению этой задачи будет посвящена глава 2 данной работы. Представленный выше краткий анализ результатов, полученных в области инженерно-физических и технико-экономических исследований неравновесных МГД-генераторов, выделил перспективные направления и некоторые основные проблемы, связанные с развитием МГД-технологии. Хотя, как и для всякой наукоемкой технологии, моментальный прогресс остается недостижимым, накопленный экспериментальный опыт, глубокие проработки технических и технологических решений дают основание утверждать, что исследования в области развития и внедрения МГД-технологии замкнутого цикла имеют перспективу быть востребованными.
Отсутствие достоверной информации по стоимостным характеристикам основных элементов МГД-генератора (МГД-канал, сверхпроводящая магнитная система, системы ввода и регенерации присадки) осложнило проведение детальных технико-экономических оценок условий конкурентоспособности МГД-ТЭУ на органическом топливе. Можно отметить ограниченное число работ, результаты которых вышли за рамки определения КПД. В работе [6] проведен анализ стоимости и эффективности угольной МГД-ПТУ мощностью 500 МВт. Стоит отметить упрощенность рассматриваемого схемного решения и, как следствие, низкий КПД цикла (41,8%). Однако эта работа представляет значительный интерес. В ней впервые представлена укрупненная оценка удельных стоимостных характеристик энергетических блоков МГД-ТЭУ.
В работе [116] рассматривается та же энергетическая схема, что и в [6], однако поставленная авторами задача была несколько шире и включала в себя как технико-экономические, так и физико-технические исследования. В [116] показано, что за счет подавления развития ионизационной неустойчивости КПД угольной МГД-ПТУ должно увеличится на 10% и может составить 58%. Ожидаемая экономия топлива при этом оценивается на уровне 20%, а стоимость отпущенной энергии уменьшается до 10,8 цент/кВт ч.
Следует обратить внимание на работу [7], в которой представлены результаты детальной проработки схемных решений компактной газотурбинной МГД-ТЭУ на природном газе, рассчитаны ее термодинамическая эффективность и массогабаритные характеристики. Хотя в работе и не содержатся результаты определения экономической эффективности рассматриваемой МГД-ТЭУ, но при известных массогабаритных характеристиках элементов схемы представляется возможным провести оценку удельных капиталовложений. Однако вопрос определения себестоимости выработки электроэнергии в данном исследовании даже не затрагивается.
Методика исследования технико-экономической эффективности МГД-ТЭУ
Решение задачи определения условий конкурентоспособности угольных МГД-ТЭУ следует разделить на три этапа: I) разработка математических моделей технологических схем угольных МГД-ТЭУ; 2) оптимизация термодинамических параметров, а также расходов рабочих тел и теплоносителей в элементах схемы с целью достижения максимального значения КПД нетто МГД-ТЭУ; 3) оптимизация параметров МГД-ТЭУ по критерию минимума цены электрической энергии для различных значений удельной стоимости МГД-генератора и цены топлива.
Инструментом для решения задач служит программно-вычислительный комплекс «Система математического построения программ» (СМГТП) [102]. СМПП на протяжении длительного времени разрабатывается в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (ИСЭМ СО РАН). Этот вычислительный комплекс позволяет автоматически генерировать программу расчета сложной теплоэнергетической установки на основе графического изображения технологической схемы и архивов математических моделей ее элементов. Одной из функций СМПП является решение задачи оптимизации технологических и конструктивных параметров ТЭУ с учетом физических и технических ограничений на параметры процесса. Критерием эффективности при решении этих задач могут быть как показатели энергетической, так и экономической эффективности (КПД нетто, цена электроэнергии, внутренняя норма возврата капиталовложений и др.).
При оптимизации параметров МГД-ТЭУ по критерию максимума КПД нетто с учетом физических и технических ограничений на параметры определяется предельно возможная энергетическая эффективность установки при фиксированном расходе топлива.
В математических моделях элементов ТЭУ, используемых в настоящей работе, реализуются следующие расчетные методики. Определение площади поверхности нагрева конвективных теплообменников, их гидравлического и аэродинамического сопротивления в работе производится на основе действующих в России нормативных методов. Состав продуктов и температура процесса газификации определяется из условия термодинамического равновесия. Расчет паровых турбин производится по отсекам (группам ступеней с постоянным расходом пара) с учетом зависимости внутреннего относительного КПД отсека от влажности пара. Расчет воздушных компрессоров и газовых турбин производится при заданном внутреннем относительном и механическом КПД. Расчет МГД-генераторов производится на основе заданных внутреннего относительного КПД и коэффициента преобразования энтальпии.
Капиталовложения в ТЭУ в данной работе определялись из следующих соображений. Все затраты в установку разбиваются на несколько составляющих: а) затраты, зависящие от электрической мощности (затраты в электрогенераторы, турбомашины, трансформаторы, распределительные устройства); б) затраты, зависящие от количества тепла, отводимого из конденсаторов паровых турбин и промежуточных охладителей воздуха компрессоров (затраты на каналы, трубопроводы и водоохладители систем технического водоснабжения); в) затраты, связанные со стоимостью основного теплоэнергетического оборудования; г) затраты, постоянные в пределах некоторого диапазона изменения номинальной мощности установки каждого типа (затраты в строительную часть); д) затраты, зависящие от объема потребляемого топлива (затраты в топливный склад, топливо подачу, топливо приготовление, золоудаление, газоочистку и др.).
Суммарные капиталовложения в установку определяются из выражения Ky=BfuelkB + NkN+Qkw + K1(\ + aM){l + an) + Kci (2.10) где Bfvei - расход топлива; к& - удельная стоимость систем МГД-ТЭУ, зависящих от расхода топлива; N - номинальная электрическая мощность МГД-ТЭУ; кц - удельная стоимость систем МГД-ТЭУ, зависящих от номинальной электрической мощности энергогенирирующего оборудования; Q - отвод тепла от конденсатора паровой турбины; kw — удельная стоимость систем технического водоснабжения; Я/ — стоимость изготовления основного оборудования (МГД-генератора, турбомашины, теплообменников, котла, газогенератора, насосов, прочных корпусов газогенератора, регенеративных подогревателей, конденсаторов и др.); ам - доля затрат на монтаж; ап - доля стоимости прочего (не учтенного в математической модели) оборудования; Кс - стоимость строительной части.
При определении стоимости основного оборудования стоимость МГД-генератора, турбомашин и насосов принимается пропорциональной их мощности, а стоимость теплообменников — пропорциональной массе металла туб и корпуса.
Конкурентоспособность твердого топлива на энергетическом рынке в первую очередь определяется отсутствием жестких временных ограничений в сроках полного исчерпания экономической части его природных запасов. Доказанные мировые запасы угля способны покрыть потребности в энергоресурсах по крайней мере до середины XXII, в сравнении с запасами газа и нефти, использование которых ограничивается периодом не превышающим 100 лет [47]. Наиболее эффективной технологией использования угля в качестве топлива для ТЭУ является его внутрицикловая газификация.
Исследования, связанные с газификацией угля уже давно вышли за рамки теоретических разработок и имеют под собой прочную основу промышленной реализации, начало которой было положено в 1994 году с пуска парогазового блока с газификацией угля мощностью 250 МВт в Голландии. В 1996 году пущена электростанция с парогазовым блоком мощностью 300 МВт с газификацией угля в Испании. Ряд парогазовых блоков различного уровня мощности с внутрицикловой газификацией угля был введен в США (обзор представлен в работе [114]). В настоящее время в Японии на ТЭС Osaki энергообъединения Chugoku сооружается ГТУ мощностью 250 МВт на базе газогенератора с кипящим слоем высокого давления [59].
До настоящего момента предложено достаточно много вариантов реализации процесса газификации [17, 28, 33]. Большинство из них относится к двум типам: газификация в кипящем слое и газификация угольной пыли в потоке. Основное отличие этих вариантов заключается в температуре процесса газификации: низкотемпературная и высокотемпературная газификация, соответственно.
Технология формирования рабочего тела для неравновесного МГД-генератора холл овслого типа
Оптимальным способом создания однородного рабочего тела неравновесного МГД-генератора является струйная инжекция во всех направлениях, либо паров щелочного металла, либо мелких капель, транспортируемых спутным потоком инертного газа.
Простейшим и технологически приемлемым вариантом струйной инжекции является инжекция в радиальном направлении (поперек основного потока в круглой трубе) с помощью форсунки с симметрично расположенными радиальными соплами.
Среди использовавшихся для этой цели технических устройств наиболее близким для применения на установках промышленного уровня мощности является система ввода присадки, разработанная Mechanical Engineering Laboratory (Tsukuba, Japan) для экспериментальной МГД-установки FUJI-1 [51].
Система ввода присадки на установке FUJI-1 организована таким образом, что спутный поток инертного газа, несущий мелкие капли жидкого щелочного металла, инжектируется с помощью форсунки, в основной поток инертного газа, который имеет температуру около 2000 К. Основной поток инертного газа движется по подводящему каналу, который имеет форму круглой трубы. Инжекторную форсунка размещена на оси подводящего канала, имеет двенадцать симметрично расположенных радиальных отверстий-сопел.
Инжектируемая двухкомпонентная смесь присадки и инертного газа впрыскивается в основной поток в радиальном направлении, перпендикулярно к оси трубы. Она смешивается с основным потоком инертного газа и движется в направлении сверхзвукового сопла дискового МГД-генератора. Температура инжектируемой смеси, на выходе из сопла, поддерживается равной 573 К. В экспериментальных исследованиях [11, 50, 51 и др.] доля присадки в основном потоке инертного газа измерялась методом поглощения резонансного излучения лазерного диода атомами присадки. Эксперименты [51] показали наличие сильных низкочастотных (2-4 Гц) флуктуации в потоке рабочего газа. Предполагалось, что причина их появления заключается в неравномерности пневматической подачи жидкого щелочного металла в Т-образную смесительную секцию что, в свою очередь, вызывает развитие крупномасштабной осевой неоднородности распределения присадки в подающем канале. Для устранения флуктуации, вызванных такой неравномерностью, пневматическая подача была заменена на гидравлическую [45], После изменений в системе ввода присадки низкочастотные флуктуации практически не наблюдались, т.е. крупномасштабная осевая неоднородность распределения доли присадки была ликвидирована.
В дальнейшем система измерения доли присадки в рабочем потоке была усовершенствована и последующие измерения проводились по трем направлениям поперечного сечения канала [9]. Измерения выявили наличие значительной тангенциальной неоднородности доли присадки [9, 50]. Для ее уменьшения инжекторную форсунку развернули по направлению движения потока, убрали турбулизирующую пластину и придали соплам расширяющуюся форму [38]. В результате тангенциальная неоднородность распределения присадки была снижена [38, 45].
Следует заметить, что применяемая на установке FUJI-1 измерительная система по существу интегрирует распределение присадки по диаметру подводящего канала. Вследствие этого пространственные неоднородности плотности атомов щелочного металла не регистрируется с помощью оптических измерений. По-видимому, именно поэтому до сих пор не уделялось необходимое внимание существованию этих неоднородностей. Тем не менее, представляется очевидным, что при существующем способе ввода присадки следует ожидать развития как локальных пространственных флуктуации плотности атомов щелочного металла, так и крупномасштабных радиальных неоднородностей.
Исследование локальных и крупномасштабных пространственных процессов смешения присадки с турбулентным потоком инертного газа требует изучения таких процессов, как турбулентное движение газа, движение и испарение мелких капель и диффузия в турбулентном газовом потоке. Для описания этих процессов необходимо использовать законы тепломассообмена, законы газодинамики, теорию турбулентных струй и теорию турбулентной диффузии.
Моделирование процессов инжекции и диффузии Постановка эквивалентной аналитической задачи выглядит следующим образом: турбулентный газовый поток движется по цилиндрической трубе с непроницаемыми стенками. Перпендикулярно к его движению из точки (г, #, 0), / є [1,и], г 0, О)- —/ (п - число сопел) в поток инжектируется п струя с фиксированным расходом, который равен сумме расходов спутного потока и инжектируемой присадки. Весовая концентрация примеси жидкой фазы (капель присадки) мала и инжектируемую струю можно рассматривать как газовую [79]. Давление и температура в системе поддерживаются постоянными. Необходимо определить концентрацию присадки в произвольной точке {г, в, la), достаточно удаленной от инжекторной форсунки. Условие удаленности от точки от инжекторной форсунки, позволяет не учитывать процессы, влияющие на формирование потока. Рис. 3.2. Влияние струй, транспортирующих капли присадки, на плотность присадки в поперечном сечении трубы для произвольной точки (г,в tZ).
Корректное количественное описание пространственного распределения присадки в трубе между инжекторной форсункой и входом в МГД-канал предусматривает совместное решение стационарных уравнений газодинамики и уравнения диффузии с соответствующими граничными условиями, которые должны описывать процесс инжекции смеси форсункой с симметрично расположенными радиальными соплами и непроницаемость стенки трубы. Такая модель позволяет получить как траектории и формы струй в ограниченном пространстве, так и распределение концентрации присадки. Однако целью данной работы не является точное количественное описание пространственного распределения присадки. В основе исследований лежит качественный анализ основных процессов и механизмов, вызывающих неоднородность распределения щелочного металла в условиях и геометрии установки FUJI-1 (рис. 3.1). На основе этого анализа оценивается верхний уровень флуктуации плотности щелочного металла в рабочем потоке на входе в МГД-канал. Выявляются возможности повышения однородности рабочего тела до уровня, необходимого для подавления развития ионизационной неустойчивости. В рамках такого подхода распределение щелочного металла в поперечном сечении рабочего потока рассматривается на основе упрощенной модели, последовательно описывающей траекторию инжектируемой в сносящий поток струи и диффузию присадки поперек этой струи. Ограниченность потока (граничное условие на стенке трубы) не учитывается. Это объясняется тем, что в данной работе оценки флуктуации присадки ограничены условиями близкими к оптимальным. Условия считаются оптимальными, когда ось струи на входе в МГД-канал расположена примерно посередине между осью и стенкой трубы. При этом небаланс массы присадки на входе в канал МГД-генератора, вызванный этим упрощением, оценивается на уровне 5 - 7%.
